基于生态系统服务供需的水网乡村生态安全格局构建*

丁金华 杨金花

苏州科技大学建筑与城市规划学院 江苏苏州 215000

生态安全格局作为国土空间开发与保护的三大战略目标之一， 是促成区域生态安全的基础保障和重要方式[1]。 国外对生态安全格局的研究已有较多成果， 研究角度和方法较为多样。 初期格局的建构多以生物多样性维护为目的， 随着学者们对生态系统服务评估研究的推进， 以及对社会和经济等方面于生态安全的认知提升[2]， 这一领域的研究逐渐发展为自然生态系统与社会经济相互协调的模式。 国内生态安全研究在追踪国外研究的过程中， 从前期的相关概念讨论和理论研究逐步发展为关注生态系统评价、 生态风险评估以及格局研究[3-4]。 围绕生态安全格局， 许多学者以生态系统敏感性、 生物多样性保护、 景观格局优化、 土地利用结构优化等为视角进行了广泛的探索与研究， 并在流域、 省份和城市群等不同尺度范围进行了大量的实证研究[5-7]。

虽已有部分学者通过生态质量评价、 景观格局指数、 生态敏感性评估等定量分析乡村生态安全格局[8-10]， 但大多研究仍集中在较定性的空间规划设计与构建策略上， 对乡村自然生态系统的供给空间与乡村建设对生态系统服务的需求空间的关联以及它们对生态安全的作用仍较少被考量。目前关于生态系统服务供需关系的研究在理论与评价方法等方面已有较多成果[11-12]， 而生态系统服务的供需关系的平衡及空间关联匹配， 也正成为该领域关注与探究的热点。

生态系统本身的状态决定其所能提供的服务水平， 而人类社会的发展进程体现对生态系统服务的需求程度[13-14]。 人与生态系统有着互惠互利、 互相依存的关系， 但社会生产的不断发展，以及人类对自然资源的过度索取， 使生态系统的服务效能不断减弱与退化， 也使供需之间产生了显著的空间异质性[15]。 因此生态系统服务供给与需求之间的平衡维持及空间匹配探求是维系自然与社会协调发展的基础[16]。 生态安全格局的构建是通过生态基质、 廊道、 斑块的结构保护来实现生态功能过程的维育， 它体现了格局和功能的相互反馈[17]。 生态系统服务供需评价是一项结合生态功能和过程、 社会建设消耗等多方面的综合性评估， 可以为生态安全格局构建给予一定的理论指引[18]。

苏南水网乡村拥有着优越的水域自然生境条件， 承载着丰富的生态资源信息。 随着城乡建设的进行， 水网生态格局因建设活动的持续扩展而破碎化， 乡村面临生态系统服务功能下降、 供需不平衡等突出矛盾。 本文从生态系统服务供需关系的视角出发， 通过建立生态系统典型服务类别指标体系， 识别片区生态供给空间格局； 基于人口、 产业、 土地类型分布特征评估识别片区生态需求空间格局。 在对片区生态系统服务供给和需求进行匹配分析的基础上， 利用最小累积阻力(Minimum Cumulative Resistance， MCR) 模型提取源间廊道及需求廊道， 以优化水网乡村的生态空间结构， 提高生态系统服务稳定性。

1 研究区概况

同字荡片区位于作为长三角生态绿色一体化发展先行启动区的苏州市吴江区东部片区，总面积约48 km2。 该片区北邻同里古镇、 东南侧接黎里镇， 区域内村庄、 河网密布、 水系结构复杂， 包括同字荡、 三白荡、 元鹤荡等主要水域及其他交错的河流湖荡， 具有水网乡村地域研究的典型性。 基于吴江区的资料数据， 以《土地利用现状分类》 为分类依据， 把片区内现有的土地利用类型整理为7 类一级土地类型(表 1)。

表1 吴江区同字荡片区现状土地覆盖类型

2 研究方法

2.1 生态系统服务供给评价指标及权重确定

本研究采用将生态系统服务分成供给服务、调节服务、 支持服务以及文化服务4 个一级类别的分类方式[19]。 按谢高地等[13]的划分方法并结合水网乡村以耕地、 水域为主的自然地域特征提取4 个一级分类下的6 种水网乡村典型生态系统服务功能， 参照已有研究选取能反映供给效能的指标因子[20-21]。

通过卫星遥感影像、 统计年鉴及实地调查等方式获取研究区的指标因子数据。 乡村生态服务系统的供给性服务主要由湖荡、 水田等提供， 通过统计农田等生产用地面积、 水域面积评估供给服务能力； 调节性服务是维系水网乡村空间发展的关键性因素， 河流的污染、 水系的断裂等都会影响水域空间物质及能量流动； 生物多样性是乡村能否稳定发展的重要方面， 通过调研植物覆盖率、 动物种类与数量等指标判别生物多样性的稳定情况进而观察研究区的支持服务能力； 乡村内的休闲游憩场所、 动植物的种类数量等可以体现一定的文化效能。

研究借助层次分析法 (Analytic Hierarchy Process， AHP)， 通过 yaahpV12 软件生成相关专家问卷调查， 利用判断数值形成判断矩阵， 使用层次单排序和层次总排序完成生态系统服务供给的各个相关准则层及指标层的权重值计算 (表2、表3)。

表2 生态系统服务供给评价指标因子

表3 生态系统服务供给评价的指标权重分析

2.2 生态系统服务需求评价指标及权重确定

生态系统服务需求实际上代表了社会建设活动对自然的干扰水平或土地开发的水平程度[12]。本研究从人口、 经济和土地3 方面对应选取人口密度、 产业类型和用地类型3 项代表性指标以体现人类对生态系统服务的需求[13-14]。 人口方面用人口密度表征， 人口密度与需求呈正相关； 经济方面以产业类型为参考依据， 体现生产活动对生态系统服务的需求偏好， 生产力越发展， 对生态系统服务需求越多； 土地需求则以土地利用程度显示人类对生态系统服务的消耗， 土地的建设开发利用水平越高， 需求越高。 使用AHP 法分析出需求的各个准则层和指标层的权重 (表4)。

表4 生态系统服务需求评价指标权重

2.3 生态系统服务供需效能评估

根据前期选取的反映生态系统服务供给与需求效能指标， 参照专家对指标的赋值权重， 确立评价体系， 通过计算公式获得研究区的生态系统服务供给及需求效能。

生态系统4 大服务的供给效能GBi的计算公式为:

式 (1) 中，I为供给效能指标分值，Ii为供给指标权重，Ci为6 大服务功能类型单排序权重。

生态系统4 大服务的需求效能XBi的计算公式为:

式 (2) 中，H为需求效能指标分值，Hi为需求指标权重，Ci为6 大服务功能类型单排序权重。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务供给空间格局

同字荡片区的食物供给重要区以水田、 农田用地为主， 水资源供给重要区主要位于湖泊、 河流等水域； 水文调节、 净化环境重要区主要分布在片区南端的元鹤荡、 三白荡片区以及东侧的白蚬湖、 同字荡等； 生物多样性维护关键区分布于湖荡、 沼泽地； 文化服务重要区则主要位于片区南部的环湖湿地公园。 将4 大服务的供给情况进行空间叠加从而获得同字荡片区生态系统服务的供给空间格局 (图1)。

图1 生态系统服务供给空间格局

3.2 生态系统服务需求空间格局

将人口密度、 经济密度、 土地利用程度权重叠加， 分为5 种层次获得生态系统服务的需求空间格局 (图2)。 高、 较高生态需求区主要分布在人口、 经济密度高的研究区西侧， 以居住用地和工业生产用地类型为主， 这些建设用地的开发程度高， 其对生态系统服务的需求相应也很高。 耕地因受到村民活动扰动程度较高， 相应的需求也较高； 而低、 较低生态需求区主要分布在三白荡、同字荡、 白蚬湖等片区， 以水域类型为主。

图2 生态系统服务需求空间格局

3.3 生态系统服务供需匹配关系

将供给和需求效能的评估量转化成供需矩阵的形式[22]， 剖析片区内各个区域生态系统6 大功能服务的供需匹配情况 (表5)。 通过矩阵分析发现， 较多区域存在着供需失衡现象， 且不同区块因其现状情况的差异， 在每种生态系统服务类别上表现出差异性的失衡矛盾。

表5 供需关系矩阵分析

基于矩阵分析结果， 将图1 与图2 进行空间叠加处理， 经空间分异识别分为4 种供需模式(图3)。 片区内存在部分供需不匹配的区域， 说明片区整体的能量流、 物质流都受到了一定程度的阻碍， 较难满足片区对服务流动的高效要求。

图3 生态系统服务供需匹配关系

按照研究区供需匹配情况， 可以将研究区域划分为4 类生态空间管控区 (图4)。 片区内高供给-低需求的区域生态条件优越、 对生态系统服务的总体需求低， 划分为生态保育区； 低供给-高需求的区域其自身的生态系统本底条件不能与其生态需求得以匹配， 将其划分为乡村建设区；生态缓冲区为高供给-高需求的区域， 基本能够满足其自身的生态需求； 低供给-低需求的区域分为生态修复区。

图4 生态系统服务供需匹配的4 类生态空间管控区

生态保育区包含同字荡、 三白荡等地。 该区域生态资源富足， 遍布有大面积的湖荡水系， 它们提供了高水平的生态系统服务供给能力， 且区内人口密度小、 开发建设程度低， 对生态系统服务的总体需求水平低。 因此需强化对该区的生态维育， 使其生态系统服务流、 生物流能连续流通运输至其他需求区。 乡村建设区集中在直下湾、金家坝等区域， 主要分布在研究地西侧。 该区以工业用地与农村住宅用地为主， 人口密集且对土地的开发利用强度高， 对生态系统服务有着很高的需求； 区内自然生境斑块数量少、 连通性差，生态系统服务供给水平低。 因此， 本区核心要务是将区内分散的小型生态斑块与区外的大型生态斑块进行串联形成生态网络体系以促进对区域内的服务供给。 生态缓冲区主要分布在长巨、 西传等区域。 该区域以农田、 鱼塘等用地为主， 具备一定的植物覆盖， 生态本底较好， 且人口密度不大、 建设强度不高， 基本能够满足其自身的生态需求。 其区域位置主要介于高供给低需求的生态保育区与低供给高需求的乡村建设区之间， 因此对该区的生态规划可以在对其进行生态保护的同时， 使其发挥生态节点作用， 成为其他管控区服务流传递输送与生态斑块能量交换的关键节点。生态修复区包含石前、 南庄等地。 该区聚集人口少、 土地开发建设的强度低， 对生态系统服务的需求水平相应较低； 但由于区内整体生态用地的数量少且面积小， 供给效能也较低， 因此需要推进该区生态空间结构的优化， 促进其与其他区域斑块的能量流动。

4 基于生态系统服务供需关系的同字荡片区生态安全格局构建

4.1 识别生态源地， 加强生态源地的保护

基于对同字荡片区的生态系统服务供需匹配分析， 提取片区内供高需低的生态斑块作为生态源地 (图5)。 就划分区域而言， 生态源地主要集中在生态保育区， 所处地类主要为大面积的水体，包括白蚬湖、 同字荡、 三白荡、 元鹤荡等多个主要的湖荡水系。 生态源地是生态系统能量、 信息的主要来源地， 是维持其自身所在区域及周边区域的生态效应的关键地， 对乡村片区的生态安全发挥着全局控制性作用， 需保护源地生态系统稳定性， 发挥区域本底优势。

图5 生态源地识别

4.2 提取生态廊道， 提升廊道网络连通性

生态廊道是连通生态源地与源地、 生态源地与生态需求地， 保证物种交流和迁徙的重要途径通道， 能有效促进生态流的扩散和传播。 研究通过对片区生态系统服务供需关系的匹配识别生态保育区作为生态廊道构建中的生态源地， 并依据供需关系矩阵分析将低供给区域作为生态需求地，主要分布在乡村建设区与生态修复区， 也有部分位于生态缓冲区。

首先，借助ArcGIS 软件平台确定各个生态源地斑块与需求地斑块的质心；其次，运用MCR 模型以每个生态源地斑块质心为起点，以剩余的生态源地斑块质心为抵达终点，利用划分出的土地利用类型表面阻力进行最小阻力路径分析(图6)，确定路径的走向，形成生态源地与源地间的生态廊道，即源间廊道。 同理，以源地斑块的质心为起点，需求地斑块质心作为抵达终点，确定最小阻力路径，形成源地与需求地之间的生态廊道，即需求廊道[23]。

图6 土地类型阻力分布

从图7 可以看出， 片区内源间廊道从东南部向东北部、 中西部和西南部延伸， 联通了白蚬湖、牛长泾、 东长荡、 三白荡等湖荡， 形成了3 大主要廊道轴线。 源间廊道作为物种移动迁徙和能量物质流传递运送的重要途径， 需要着重对其进行生态保护。 需求廊道主要沿农村居民点及工业用地散布， 主要位于直下湾、 长巨、 西传、 南庄等地。 需求廊道是连接乡村建设空间和生态空间的途径， 平衡了4 大生态空间管控区供需关系不匹配的情况， 拓展了生态源地的服务范围从而缓和片区内土地利用建设活动对生态系统服务的需求压力。

图7 生态廊道提取

4.3 注重整体网络格局建设， 促进生态系统服务供需平衡

在推进同字荡片区生态安全格局构建过程中，多个具备重要影响程度的核心生态源地斑块在水资源供给、 生物多样性维护等生态系统服务功能方面有着较广的辐射尺度。 生态廊道带串联4 类空间管控区， 平衡各区间的生态系统服务供需； 同时， 以大片的水田、 农田为主的生态缓冲区作为生态节点衔接了生态源地与乡村建设区， 起到一种 “踏脚石” 的作用， 成为其他区域生态系统服务流动的战略节点， 使片区在空间上形成一个完整的网络化结构 (图8)。 片区建设尤其应注意这些关键格局要素的保护和改善， 加强生态修复与环境保护， 保障核心生态源地生态系统服务的长期稳定供给； 同时积极建设生态廊道网络与生态节点， 增强网络连通性， 促进同字荡片区生态系统服务的供需平衡。

图8 片区生态安全格局

5 讨论

在生态系统服务的供需视角下进行生态安全格局构建及其优化研究日益受到学者重视。 景永才等[18]基于生态系统服务供需搭建了城市群生态安全格局构建框架； 黄智询等[24]运用生态系统服务供求关系动态模型框架， 展开对闽三角城市群生态安全格局分区化研究； 寿云飞等[25]则以长三角城市群区县为研究单元， 在分析生态系统服务供给与需求的空间特征基础上提出长三角城市群生态格局分区方案。 本研究突破以往研究大多集中在城市群范围的限制， 将研究对象定为在城镇化建设的快速推进下， 生态环境遭到破坏和恶化、生态系统服务能力降低、 整体格局逐渐破碎化的苏南水网乡村。 通过对水网乡村生态系统服务供给和需求的评估发现， 生态系统服务供给量高的是水田、 湖泊等用地， 对生态系统服务的需求量高的在居住、 工业生产等用地， 该结果与相关研究[20，23]在各类用地的生态系统服务供给、 需求量方面的结论基本一致， 为供需空间管控区的划分及生态安全格局的构建奠定了基础， 论证了以生态系统服务供需为切入点对水网乡村生态安全格局展开构建研究的切实性与可行性。

但是在生态系统服务供给和需求效能的评估上， 本研究主要依据APH 法及矩阵分析建立指标评价体系反映供需的空间情况， 并没有准确地计算出所有生态系统服务的供需数量， 在其量化方面稍显不足。 因此， 如何科学准确地测算出水网乡村中生态系统各类服务的供给总量以及人类社会对各类生态系统服务的需求总量， 在此基础上分析供需匹配关系并为水网乡村生态安全格局的构建提供量化支撑， 促成水网乡村生态系统的可持续发展， 仍有待进一步探讨。

6 结论

水网乡村生态系统服务的结构和功能受到人类活动干扰， 自身的生态系统本底条件不能与其生态需求匹配， 存在一些供需不匹配现象。 按照供需匹配情况选取生态源地， 通过MCR 模型识别两种生态廊道以串联各类空间区域， 充分利用生态节点的踏脚石作用以提高乡村整体的生态系统服务效能， 改善乡村部分区域存在的供需失衡矛盾， 平衡供需关系， 降低土地利用对生态系统的影响， 保障水网乡村区域安全， 为生态安全格局构建提供一定的视角参考。